基于小型風力發電機組的最大功率跟蹤方法研究

陳麗穎，劉彥輝，張煜麗

(1.綏化學院，黑龍江綏化152061;2.黑龍江科技大學，黑龍江哈爾濱150027)

風能作為發展最為迅速的可再生能源，已經成為應對能源危機和環境污染的重要手段，是當前國內外研究的重點和熱點［1－2］。風力發電技術，因其政策和技術上的優勢，成為可再生能源發電中發展最為迅速的技術之一［3－4］。小型風力發電機作為可再生資源被廣泛地應用，并且其安裝方便、結構簡單，甚至可以安裝在家中。但是目前已有的小型風力發電機的發電效率低。為解決這一問題，大容量風力發電機采用一種能自動改變螺旋式葉片角度的控制系統，這種控制系統可以有效地提高風力發電機的功率因數［5］，從而提高風能的利用。通常情況下，小型風力發電機安裝這種控制系統是不可能的。針對以上情況，風力發電機的葉片結構可以隨風力條件而改變漿距角的方向。因此，通過對傳統的小型風力發電機的瞬時特性與具有被動改變葉片方向結構的小型風力發電機進行對比，筆者提出了最大功率跟蹤點的控制方法。此外，由于小型風力發電機輸出的電壓很小，所以在兩臺或者多臺風力發電機并聯的情況下，必須考慮最大功率輸出的問題。根據風速變化，對各種風速下最大功率點進行研究。這種研究分別針對兩種情況，即大容量和小容量風力發電機的最大功率點。前者通過協調風力發電機的轉速或者通過學習非線性處理的方法［6－8］，例如模糊控制規則、智能記憶等來控制風力發電機輸出的功率，盡量使風能利用效率提高。而小型風力發電機的慣性小，輸出的電壓很容易隨著風速的變化而不斷地大幅度變化。由于這些原因，上述控制方法不適合小型風力發電機。這種結構簡單的風力發電機是通過調整直流側的直流升壓斬波器的脈沖寬度的占空比，再通過二級管進入直流側，轉換成風力發電機的交流電壓［9－12］。無論風速怎樣變化，通過程序可以控制占空比;但是當風速不斷地發生不規則變化時，最大功率點的跟蹤是不能實現的。所以，當兩臺或者多臺風力發電機并聯時需要將風速固定不變。根據這一特征，最大功率跟蹤控制方法能夠使風力發電機快速調節到與最大功率點相對應的風速。

1 最大功率跟蹤控制方法

1.1 小型風力發電機的瞬態特征

以Z－500L風力發電機為例，小型風力發電機具有根據風速方向的變化而改變漿距角方向的結構，同時具有隨著風速的變化輸出的電壓很復雜的特征。Z－500L風力發電機輸出電壓如圖1所示。

從圖1可以看出，在某一時刻小型風力發電機輸出的電壓不固定，因此有必要對最大功率輸出點進行研究。圖2為利用樓群建筑中洞口的風速不同，風力發電機輸出的電壓圖形。通過圖形可知，測量結果有兩種模式:一、輸出的電壓增長非常緩慢;二、輸出的電壓增長非常迅速。

圖3描繪了傳統的風力發電機(以Aerogen為例)的輸出電壓的曲線圖。對比圖2和圖3可知，傳統的小型風力發電機輸出電壓在圖2中顯示的迅速增長模式是不存在的。

圖1 Z－500L不同時間不同風速輸出的電壓

圖2 風力發電機在風洞中不同風速下非負載情況下的輸出電壓

圖3 傳統的小型風力發電機輸出電壓圖形(以Aerogen為例)

圖4 風速為8.0m·s－1情況下輸出電壓隨負載變化情況

圖5 區分小型風力發電機兩種電壓模式的方法

從圖2和圖4可以看出，自動控制葉片式小型風力發電機輸出電壓變化模式既不受負載影響，也不受風速的影響。根據這種特征，本文提出一種最大功率跟蹤控制方法。

1.2 小型風力發電機的MPPT控制方法

在考慮負載和風速的條件下，小型風力發電機的最大功率在模式二中可以被有效獲得。如圖5中的模式二，當風速V(n)超過切入風速V切時，輸出電壓發生變化，得到

其中，β(n)=ΔV(n)/ΔT(n)，ΔV(n)是指 T(n+1)和 T(n)之間的電壓差，即 ΔT(n)=T(n+1)–T(n)，ΔT(n)是指MPPT的采樣時間。此種控制是通過公式以及控制程序協調輸出的電壓和電流值，從而使功率達到最大值，再測出最大值情況下的風速值。最大功率理論公式為

式(2)中的kp=(1/2)ρAη，ρ、A、η分別指空氣密度、風與葉片接觸的有效面積以及功率轉換因數。利用參數 ρ=1.25kg·m－2，小型風力發電機Z －500L 中A=1.07m2，葉片直徑參數R=1.17m，效率 η =30%，測得kp=0.201。可通過實際操作進行驗證，根據式(2)計算得出的最大功率值與利用Z－500L實驗中獲得的最大功率是否相同。圖6(a)為風洞中不同風速下測得的輸出電流和電壓，從圖6(b)中可以看出最大功率能夠被獲得。

圖6 通過實驗證實MPPT控制方法的有效性

計算最大功率點對應的電壓和電流，需要考慮電動勢系數Kb和葉尖速比λ這兩個參數，在設計風力發電機和它的葉片時是最重要的參數。葉尖速比為

其中，ω是風力發電機轉軸的角速度，n是轉動的數量。λ通常被設計成λop，即最大功率點時所對應的葉尖速比，該系數表示風機的最大功率轉換效率。當風力發電機處于最大功率點時，設葉片的轉動速度為nop，風力發電機轉軸的轉動速度為Nop，此時獲得的最大的電動勢電壓為

由于螺旋葉片的轉軸直接與風力發電機的轉軸相連，所以nop=Nop，則λop可表示為

1.3 證實MPPT控制方法的有效性

在本實驗中風力發電機的參數λop和kb值分別被設計為16和1.392V/rps。ζ和ζ'計算值分別為3.03和0.06。

從圖7中各種風速下的最佳電壓與電流可以看出，理論值與實驗所得的數據基本一致，從而驗證了MPPT控制方法的有效性。

1.4 MPPT的控制程序

基于上述情況，小型自動控制葉片式風力發電機獲得最大的功率前提是考慮式(1)、(6)、(7)的情況，Z－500L的設計中ζ和ζ'的值分別為3.03和0.06，實驗中此值也一致。此外，通過辨別(1)式，計算出最大功率值ζ'。圖8是MPPT控制方法的執行程序，通過檢測輸出的電壓V(n)、輸出電流I(n)和某時刻的風速v(n)時，可以檢測出v(n)是否大于v切，當檢測出風速比切入風速大時，MPPT控制程序開始執行，首先是按照式(1)判別電壓在采樣時間的偏差與時間的微分的正負。當結果為正時，說明此時輸出電壓處于模式二中，MPPT控制程序開始執行，執行程序如圖9所示。通過式(2)和(6)，在n時刻風速為v(n)的情況下，可計算出最大功率Pmax(n)和最佳電壓Vop(n)，也計算出最佳的功率以及和輸出電壓相應的電流。為了使風力發電機輸出的電流I(n)與計算出的Iop(n)一致，最佳電流控制器產生了一個參考電壓V*op(n)，然后最佳電壓控制器通過與主控系統相連的脈沖寬度直流斬波器來調整風力發電機的輸出電壓，最終使輸出電壓與V*op(n)一致。由于這種方法可以快速獲得無震蕩的最大功率，所以比較適合用于多個風力發電機并聯的情況。

圖7 最佳功率狀態下的電壓、電流理論值與實驗值的測量

圖8 MPPT執行程序

圖9 MPPPT執行控制系統

圖10 風速為11m·s－1時兩種模式及輸出功率曲線圖

2 證實MPPT控制的有效性

2.1 通過辨別程序模式驗證MPPT方法的有效性

首先，在模式二中利用MPPT控制方法獲得的最大功率。由圖10表明，風力發電機進入模式二中獲得的功率占據了圖中所有的面積。在程序執行過程中，由判別(1)式為正值時進入模式二后，風力發電機會迅速啟動程序，獲得最大功率。如圖4，在模式一中風力發電機的輸出電壓會隨著負載的增加而逐漸減小。這種特征意味著在模式一中若使輸出電壓具有快速瞬態響應特性，風力發電機必須保持在空載的狀態下才能獲得。將圖9中的開關器件Tr1關閉，系統處于非負載狀態直到開始辨別(1)式被滿足，模式二檢測開始，最大功率跟蹤控制程序開始執行并很快獲得最大功率。從圖11(a)和(b)對比可知，MPPT程序執行開始后，風力發電機可以很快地獲得比較大的電壓，由此可以獲得相對應的最大功率。

2.2 驗證通過MPPT控制方法獲得的功率的正確性

圖12為風速從零開始增長到一定速度時輸出的電壓圖。大約經過18s時，風速達到固定的值7.8m·s－1。在經過12秒時，額定功率產生最大功率大約95W，它近似等于從式(2)中獲得的理論值。接下來，利用模擬檢測當風速發生改變時最大功率達到的時間。圖13表明，風速從5m·s－1變化到6m·s－1時的功率瞬態特征。風速為5m·s－1時輸出的最大功率約為24W，風速為6m·s－1時輸出的最大功率大約為45W。這表明無論在何種風速下執行此規則都能獲得一個最大功率，MPPT控制規則獲得的最大功率與風力發電機在不同風速下獲得的功率一致，MPPT的控制方法有效。

圖11 帶有MPPT程序和不帶有MPPT程序控制的輸出電壓的對比

圖12 風速從零逐漸增大時獲得的輸出功率圖

圖13 風速迅速變化時的輸出功率

3 結語

帶有自動控制葉片式的小型風力發電機能夠隨著風速變化而輸出不同的電壓，而這種輸出電壓有兩種模式。通過研究對比，在帶有負載的情況下，最大功率只能在第二種模式中獲得。兩種模式的變化點會隨著風速的不同而發生變化，因此本文提出一種基于辨別兩種模式的MPPT控制方法。該方法可以強制性地使輸出功率匯集到最大功率點，從而找到最佳輸出電流。而此時的最佳電流是基于MPPT程序控制中的輸出電壓與輸出功率;此時的輸出電壓正比于風速，輸出功率正比于風速的立方。由于MPPT控制規則能夠很快地捕獲最大功率，所以可將其用于多并聯的小型風力發電機組中。

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